水电站引水系统设计

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1、某水电站引水系统设计该水电站所在河流中下游地段侧向侵蚀作用十分强烈，形成迂回曲折 蛇形地貌，为修建引水式水电站提供了有利地形条件。某水电站引水隧洞 和厂房位于南天门岭，此处分水岭宽约 800 m ，而两端河水位差达 13m， 本区地层主要是前震旦系黑云母混合片麻岩通过，沿洞线未发现断层，且 洞线顶上部新鲜岩体厚达80160m，深部裂隙已趋闭合因此工程地质条 件较好，洞线前部通过两条较大岩脉均大致及洞线正交，一条为石英斑岩， 宽3040m，另一条为正常闪岩，宽2630m，岩脉及围岩接触良好， 厂房后山坡地形坡度约5060,坡高40 m左右，后山坡边坡基本稳定。布置考虑了地质条件、地形条件、施工条

2、件及水力条件，由于施工技 术条件限制，引水洞径不宜大于12m，因此，选择两条引水隧洞，四条压 力管道分别给每台机组供水，供水方式为单元供水（即单管单机），钢管 轴线及厂房轴线相垂直，这样可以使水流平顺，减小水头损失。由于水轮机选型部分已知单机最大引用流量：Q二124.91 m3 /smax隧洞断面面积：A二2QmaxA二上D2V4e式中：V = 4.2 m/se2Q2x124.91由上式得: A =ma = 59.48 m2V4.2e则洞径D巫=4X59.48 = 8.7 m兀3.14本设计中取D = 9.0 m。1）地质条件：尽可能位于完整坚硬岩石中，避开岩体软弱、山岩压力 大、地下水充沛及

3、岩石破碎带、地震区。必须穿越软弱夹层或断层时尽可 能正交布置。隧洞通过层状岩体时洞线及岩层走向夹角尽可能大，以利于 围岩稳定，提高承载力。2）地形条件：出口处地形宜陡，进口段洞口围岩厚度宜大于一倍开挖 洞径，一般要求周围坚固厚度不小于三倍开挖洞径。3）施工条件：便于施工。4）水力条件：转弯半径大于五倍洞径，转弯面不宜大于607.2 进水口设计在水利水电工程中，为发电供水等综合利用目，往往需要在水位便服 天然河道，湖泊或人工水库和调节池中取水，深式进水口及有压进水口为 了适应这一需要而设置一种水工建筑物，深式进水口应满足水工建筑物一 般要求，即结构安全，布置简单，施工方便，造价低廉，运行可靠并适

4、应 注意美观。其组成为：行进段进口段闸门段闸门渐变段操作平 台和交通桥。太平哨水电站为有压进水式，岸边地质条件较好，因此选择深式进水 口中隧洞式进水口为宜。深式进水口主要形式：隧洞式进水口，其进口段和闸门井均从山体中开凿而成适应于进口地 质条件良好，扩大断面和开挖闸门竖井均不会引起塌方，坡度适中。洞式 进水口充分利用了岩石作用，钢筋混凝土工程量较小，这一种既经济又安 全结构形式。 压力墙进水口：其进口段和闸门段均布置在山体之外适用于洞口附 近地质条件较差或不宜采用洞式进水口时不宜扩大开挖坡度较缓时。 坝式进水口：其基本特征是进水口附近在坝体上适用于坝后时厂房 或河床式水电站厂房上游坝体内，进水

5、口及坝体成统一整体。 塔式进水口：适用于水电站厂房布置在河床坝后，拦河坝采用当地 材料坝或水库地质条件较差，坡度较平缓不利于岸坡上修建进水口。m ，为避免进水口前出现漩涡和吸气漏斗，需有一定淹没水深。所需要淹没深度：kp2式中： h 无吸漩涡临界淹没水深kpC 经验系数，一般取0.550.73,对称进水时 取小值，侧面进水时取大值，本设计取c = 0.7闸门断面水流流速，由于闸门面积比引水隧洞断面面积稍大，则其流速比引水隧洞小， 本设计取v = 4 m / s闸门孔口咼度，本设计取a = 9.0 m由上式得：hkp二 cva i2=0.7x4x9.0i2 二 8.4综合分析并考虑到风浪影响，取

6、h = 10.0 mkp贝 U进水口底板高程：V- h - a = 190.0 -10.0 - 9.0 = 171.0 m底 死 kp1）进口段：其作用是连接拦污栅及闸门段。根据国内外实践经验，进口段顶板曲线采用 1/4椭圆曲线，曲线方程为：式中：a椭圆曲线长半轴，一般取（11.5）D，本设计 取椭圆曲线短半轴，一般取（1/31/2）D,本设计 取一般情况下椭圆曲线，当引用流量及流速不大时，也可采用圆弧曲线 代替，重要工程应根据模型试验决定进口曲线，进口流速不宜太大。进口 面积不小于下式计算值：式中：进口断面面积引水断面面积（按渐变段末端）贝U：引水道中心线水平面间夹角，本设计取 收缩系数，一

7、般取0.60.7，本设计取由上式得：2）闸门段：闸门段是引水道和进口段连接段，闸门口采用矩形，考虑 进口结构稳定性，进水口设支墩，布置两孔，高 4.5，宽 9.5 矩形平板闸 门并相应设两孔检修闸门，检修闸门及工作闸门间距取2。3）渐变段：渐变段是闸门段到压力引水管道过渡段，其断面面积和流 速应逐渐变化，使水流不产生漏流并尽量减小水头损失。由矩形变成圆形 通常采用四角加圆角过渡圆弧中心位置和圆角半径r均按直线变化，渐变 段长度根据经验，一般为压力隧洞直径1.52.0倍，收缩角不超过10, 以69为宜。本设计取其长度为16。4）通气孔和进人孔：通气孔设在事故闸门之后其功用是当引水道充水 时可以排

8、气，当事故闸门关闭放空引水道时，可以补气以防出现有害真空。通气孔面积按下式计算：式中：3/s通气孔进气流速，一般为3050m/s，本设计 取 40m/s由上式得：为了便于进水口及压力水道维护及检修，需设进人孔。本设计采用通 气孔兼作进人孔。1）拦污栅设计：为防止结冰及漂浮物堵塞和进入进水口，进水口前需 设拦污栅，拦污栅在平面上布置或直线上面为垂直布置，即倾角为 90， 过栅水流净流速应尽量小，以减小水头损失和清污困难，不宜大于 1m/s， 本设计取过栅流速为1m/s。则拦污栅净面积为：2）闸门设计：工作闸门：选用平板闸门，闸门高度应大于洞径，本设计取 9.5，闸 门宽度一般等于或小于压力管道直

9、径，由于进水口设中墩，闸门宽度取 4. 5，门厚0.8，要求在静水中开启，动水中关闭。检修闸门：采用平板闸门，尺寸同工作闸门，要求在静水中开启，静 水中关闭。检修闸门及工作闸门之间距离很近，为了便于检修，要求 24 间距， 本设计取为 2 m ，布置在同一闸室内，在闸门井上方布置一个共用启闭机 房。7.3 引水隧洞7.3.1 线路及坡度确定引水隧洞路线选择是设计中关键，它关系到隧洞造价，施工难易，工 程进度，运行可靠性等方面，选择洞线一般原则和要求为： 隧洞路线应尽量避免不利地质构造，围岩可能不稳定及地下水位高, 渗水量丰富地段，以减小作用于衬砌上围岩压力和外水压力，洞线要及岩 层层面、构造破

10、碎带和节理面有较大交角，在高地应力区应使洞线及最大 水平地应力方向尽量一致，以减小隧洞侧向围岩压力，隧洞进出口在开挖 过程中容易塌方，易受地震破坏，应选在覆盖层风化较浅，岩石比较坚固 完整地段。 洞线在平面上求短直，这样既可以减少工程量，方便施工。有良好 水流条件，若因地形，地质 ，枢纽布置等必须转弯时应以曲线相连。 隧洞应有一定埋藏深度，包括：洞顶覆盖厚度和傍山隧洞岸边一侧 岩体厚度，统称为围岩厚度，围岩厚度涉及开挖时成洞条件，运行中在内 外水压力作用下围岩稳定性，结构计算边界条件和工程造价等。 隧洞纵坡应根据运用要求，上下游衔接，施工和检修等因素，综合 分析比较后确定，无压隧洞纵坡应大于临

11、界坡度，有压隧洞纵坡主要取决 于进口高程，要求全线洞顶在最不利条件下保持不小于 2m 压力水头。有 压隧洞不宜采用平坡或反坡，因为其不利于检修和排水。 对于长隧洞，选择洞线时还应注意地形，地质条件。布置一些施工 之洞，斜井，竖井，以便增加工作面，有利于改善施工条件加快施工进度。太平哨水电站根据上面原则和要求，选择了两条引水隧洞，所经路线 地质构造良好，洞线在平面上短直，即减小工程造价、方便施工、具有良 好水流条件，隧洞有一定埋深，围岩厚度大于 3 倍洞径。为了利于检修及排水，隧洞纵坡率为 2%，其工作闸门及检修闸门设在 进口，隧洞在平面上有弯角，对于低流隧洞曲率半径不宜小于 5 倍洞径， 现取

12、6倍洞径，即54m，转角不宜大于60，取30,具体布置见坝区 引水系统平面布置图。7.3.2 断面形式及断面尺寸隧洞断面形式取决于水流流态、地质条件、施工条件及运行条件等， 有压隧洞一般采用圆形断面，原因是圆形断面水流条件受力条件都较为有 利，本设计中隧洞断面采用圆形，直径为 9m。7.3.3 洞身衬砌为了保证水工隧洞安全有效运行通常需要对隧洞进行衬砌，衬砌作用 是限制围岩变形，保证围岩稳定。承受围岩压力、内水压力等负荷。 防止渗漏。保证岩石免受水流，空气，温度，干湿变化等充蚀破坏作 用。减小表面糙率。隧洞衬砌主要类型 平整衬砌：亦称护面或抹平衬砌，它不承受外力只起减小隧洞表面 糙率，防止渗漏

13、和保护岩石不受风化作用平整衬砌适应于围岩条件较好， 能自行稳定且水头，流速较低情况下。 单层衬砌：由混凝土、钢筋混凝土或浆砌石等组成，适用于中等地 质条件断面较大，水头及流速较高情况。根据工程经验，混凝土及钢筋混 凝土厚度，一般约为洞径或洞宽1/8-1/12且不小于25cm，由衬砌最终计 算确定。 组合式衬砌：由内层钢板，钢筋网喷浆，外层为混凝土或钢筋混凝 土，有顶拱为混凝土边墙或底板为浆砌石和顶拱边墙喷锚后再进行混凝土 或钢筋混凝土等形式。浑江太平哨水电站，为了保证引水隧洞安全有效运行，限制围岩变形， 保证围岩稳定，承受围岩压力，内水压力等荷载，防止渗漏，保证岩石免 受水流、空气、温度、干湿

14、变化等冲蚀破坏作用，减小表面粗糙，需要对 其进行衬砌，根据工程经验，采用单层衬砌形式，混凝土厚度为 1m。7.4 调压室设计7.4.1 是否设置调压室判断为了改善水锤现象，常在有压引水隧洞及压力管道衔接处建造调压室， 调压室利用扩大断面和自由水面反射水锤波将有压引水系统分为两段：上 游段有有压引水隧洞，调压室使隧洞基本上避免了水锤压力影响；下游为 压力管道，由于长度缩短了，从而降低了压力管道中水锤值，改善了机组 运行条件。调压室功用归纳为以下三点：反射水锤波，基本上避免了压力管道 中水锤波进入有压引水道。缩短压力管道长度从而减小压力管道及厂房 过流部分钟水锤压力。改善机组在负荷变化时运行条件及

15、系统供电质 量。在有压引水系统中设置调压室后，一方面使有压引水道基本上避免了 水锤压力影响，减小了压力管道中水锤压力，改善了机组运行条件，从而 减小了他们造价；但另一方面却增加了设置调压室造价，所以是否设置调 压室应进行技术经济方案比较来决定。我国水电站调压室设计规范建议以下式作为初步判别是否需要设 置上游调压室近似准则：2 LVr tT = i_L-w gH0式中：L压力水道（包括蜗壳机为水管）长度，有坝i 区系统平面图量得约为800-850 mV压力水道中平均流速，取4.5 m/si gH电站最小静水头；即：0m则： Tw850 x 4.59.81x 37.4二 10.43s 6s需要设置调压室。7.4.2 调压室位置选择调压室位置选择一般原则为： 调压室位置需根据压力管道地形、地质条件及厂房位置统一考虑， 应尽可能靠近厂房，以减少压力管道及水轮机水击压力。 调压室距厂房较近，且多设在临近山坡处，以避开不利地质条件， 以减轻电站运行后渗水对围岩及边坡稳定不利影响，以免由于地下水改变 导致围岩失稳塌滑。太平哨水电站调压室所处